大跨度薄膜温室温光特性研究及作物生长模型构建

鲍彦达 郑琨鹏 李兴 王健 朱小磊 赵喆 孙锦 郭世荣

摘要：研究大跨度薄膜温室在长江流域的适应能力，为生产实践提供理论指导。对比研究大跨度薄膜温室（LPG）和3连栋塑料温室（TPG）的室内空气温度、相对湿度、光照度变化，构建基于辐热积的作物生长模型。结果表明，冬季LPG与TPG相比，日平均气温高1.6 ℃、最低气温高4.8 ℃，温度均匀度较优，光照度均匀度和相对湿度均匀度较差。夏季LPG的遮阳网展开后，比TPG日平均气温低3.0 ℃，平均相对湿度高5.5%，平均光照度低11 500 lx，LPG的温度、光照度和相对湿度的均匀度均优于TPG。越冬茬作物优先级为草莓>蒌蒿>芹菜>莴笋，LPG夏茬作物优先级为香菜>蕹菜>小白菜>苋菜。LPG冬季保温性能、夏季降温性能均优于TPG，可以满足长江流域栽培需要。建议冬季栽培草莓，夏季栽培香菜，可获得最大经济效益。

关键词：温室;空气温度;光照度;相对湿度;生长模型;大跨度薄膜温室

中图分类号： S625.1文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2021）07-0190-08

收稿日期：2020-08-25

基金项目：国家重点研发计划（编号：2019YFD1001902）。

作者简介：鲍彦达（1996—），男，河北承德人，硕士研究生，研究方向为设施园艺工程。E-mail：2019804204@njau.edu.cn。

通信作者：王 健，博士，副教授，研究方向为设施园艺工程研究。E-mail：wangjian@njau.edu.cn。

长江流域跨越全国19个省（市、自治区）和东、中、西部三大经济区，是我国最发达的地区之一。同时，长江流域耕地面积占我国耕地面积的1/4，农业总产值占我国农业总产值的40%，是我国最主要的农业生产基地[1-3]。该地区自然资源丰富，但地处亚热带季风气候区，夏季气温高、降水多，冬季气温低、光照少，塑料温室成为当地主要的园艺设施[4-7]。塑料温室在我国所有温室中占比最高，使用范围最广。但其室内跨度小、棚脊低、工作空间小，所以机械化程度低，不符合当今温室机械化发展的需要。同时，塑料温室冬季保温性能较差，夏季也易产生高温灾害，越冬、越夏生产都较为困难。近年来，一种汲取塑料温室和日光温室优点，便于实现机械化作业的大跨度温室成为国内设施类型的新形式[8-11]，该温室跨度大、空间大，便于机械化操作，满足现代化农业发展需求。

本研究以大跨度薄膜温室（LPG）作为试验温室，以相同面积的3连栋塑料温室（TPG）作为对照温室，研究2种温室的室内空气温度、光照度和相对湿度的变化特点，分析LPG在该地区的适应能力，并应用辐热积理论对8种温室栽培作物进行模拟，以期为该温室的环境调控和栽培管理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验温室

试验在南京农业大学白马教学科研基地（31°37′N，119°10′E）进行。试验温室见图1-a，南北走向，长度48 m，跨度20 m，面积960 m2，肩高1.8 m，脊高6 m，外遮阳网高7 m，除门外温室整体覆盖塑料薄膜;温室东西两侧对称配备底通风和顶通风，通风口宽度均为1 m，通风面积192 m2;温室配备有外遮阳系统及保温被，夏季试验期间外遮阳网日间打开，夜间合拢;冬季试验期间，保温被日间卷起，夜间展开。对照温室见图1-b，总长32 m，跨度 30 m，顶高5.5 m，肩高3.5 m，面积960 m2，温室整体覆盖塑料薄膜;沿塑料温室长度方向设置有2个侧通风口，3个顶通风口，其中侧通风口宽2 m，顶通风口宽0.8 m，通风面积204.8 m2;2种温室在夏季试验期间通风口全部打开状态。

1.2 试验方法

冬季试验时间为2020年1月10—30日，夏季试验时间为2020年6月10—30日，试验期间测量室外、LPG和TPG室内的空气温度、光照度和相对湿度，试验布点见图2，仪器为山东建大仁科电子科技有限公司的光照度温湿度三合一变送器。光照度量程为0～200 000 lx（精确度为±7%），响应时间为0.1 s，温度量程为-40～60 ℃，精度为±0.5 ℃（室温为25 ℃条件下），响应时间≤18 s（风速为 1 m/s 情况下）;湿度量程为0～80%，精度为±3%（5%～95%，25 ℃），响应时间≤6 s（1 m/s风速）。

利用江苏省南京市溧水区气象局统计资料和气象学划分标准确定试验期间的天气类型，典型晴天为降水量<0 mm，云量1～2成，日照时数≥7 h;典型阴天为降水量≥0 mm，云量9～10成，日照时数≤2 h。冬季以每日08：00 作为日界，日间为 08：00—16：30，夜间为16：30至次日08：00。夏季以每日08：00为日界，日间为08：00—18：00，夜间为18：00至次日08：00[12]。

通过冬季及夏季试验期间测量获得的LPG空气温度、光照度数据进行预选作物累積辐热积的计算，结合市场价格为LPG内的生产栽培进行理论指导。

1.3 数据分析理论

温室室内气温、光照度和相对湿度的均匀度采用以下公式[13]计算：

BT=Tmin/Tavg×100%;（1）

BI=Imin/Iavg×100%;（2）

BU=Umin/Uavg×100%。（3）

式中：BT、BI、BU分别为室内气温均匀度、室内光照度均匀度、室内相对湿度均匀度;Tmin、Imin、Umin分别为室内测点中最低的气温、光照度、相对湿度;Tavg、Iavg、Uavg分别为室内每个测点的平均气温、平均光照度、平均相对湿度。

相对热效应（RET）为作物在实际温度条件下生长速率相当于在最适宜温度件下生长速率的比例。RTE与温度（T）的关系[14]为：

RTE（T）=0 T

T-TbTob-TbTb≤T

1Tob≤T≤Tou

Tm-TTm-TouTou

0T>Tm。（4）

式中：RTE（T）是温度为T时的相对热效应;Tb为生长下限温度， ℃;Tm为生长上限温度， ℃;Tob为生长的最适温度下限， ℃;Tou为生长的最适温度上限， ℃。

每日相对热效应和日总光合有效辐射的乘积即为日辐热积[14]：

DTEP（i）=∑RTE（i，j）24×PAR（i）。（5）

式中：DTEP（i）表示第i天的日辐热积;RTE（i，j）为第i天第j小时的相对热效应;PAR（i）表示第i天到达温室的日总光合有效辐射，μmol/（m2·d）。

累积辐热积（TEP）由每日辐热积累积得到，计算公式[14]如下：

TEP（i）=∑ni=mDTEP（i）。（6）

式中：TPE（i）表示选定作物从第m天到第n天的累积辐热积（μmol/m2）。

使用Excel 2016对数据进行整理分析，使用Origin 2018作图。

2 结果与分析

2.1 冬季温室内环境分析

长江流域冬季连续降水、光照不足、空气湿度大是制约温室发展的重要因素。本研究选择2020年1月18—24日时段（连续降水），对LPG和TPG内的小气候进行监测分析。

2.1.1 室内空气温度分析

由图3可知，日间2种温室内部的气温差异较小，相差在0.00～2.89 ℃区间内;夜间LPG室内平均气温高于TPG温室，2种温室之间温度差异最高可达5.70 ℃。LPG的夜间保温性能较优，可满足耐寒蔬菜的越冬栽培。

经查1月18日为典型阴天，1月20日为典型晴天。温室在冬季典型天气条件下气温日变化情况见图4，温室内外的气温均具有相似的变化趋势。

由图4可知，典型阴天条件下，LPG全天平均气温比TPG高1.6 ℃，比室外高5.2 ℃;随着太阳高度角增加，阴天温室内逐渐出现散射光，光照度忽强忽弱，2种温室内日间气温出现了较大的波动，但是最高气温同时出现在14：00，TPG最高温度比LPG高0.5 ℃。由于TPG没有任何保温措施，当光照度下降时，室内气温快速下降，在16：30 大跨薄膜温室展开保温被后，2种温室内部气温差逐渐增大，在19：00以后，LPG的气温比TPG气温高2 ℃以上。当室外气温达到最低气温（-1.4 ℃）时，LPG和TPG内部气温分别为4.9、0.5 ℃。

典型晴天条件下，随着光照度增加，LPG和TPG内部气温迅速上升，由于TPG遮挡物相对于LPG少，透光率高，最高温度比LPG高1.4 ℃。当光照度减弱，室内气温下降速度快，大跨薄膜温室保温被展开，TPG没有任何保温措施，2种温室内部气温差值逐渐增大。在19：00至次日07：00，LPG的氣温比TPG平均高5.1 ℃，在此阶段，LPG与TPG在07：00 时温差最小，为2.1 ℃，在21：00出现最大温差，为6.1 ℃。当室外气温达到最低气温（-0.8 ℃）时，LPG和TPG内部气温分别为8.0、2.1 ℃。

2.1.2 室内光照度分析

由图5可知，LPG、TPG和室外的最高光照度分别为29.8、45.0、67.1 klx。LPG的平均光照度比TPG低1.9 klx。

1月18日为典型阴天，1月20日为典型晴天。由图6可知，典型晴天、典型阴天室内外变化趋势一致，由于LPG外遮阳在合拢时仍有较大的遮阴面积，光照度表现为室外>TPG>LPG。

2.1.3 室内相对湿度分析

由图7可知，试验期间室外的平均相对湿度为91.5%，LPG和TPG的平均相对湿度分别为96.0%、91.9%。在日间，LPG的相对湿度高于TPG; 夜间未打开通风口，2种温室相对湿度相差较小，都接近饱和。

由图8可知，典型天气下相对湿度与气温的日变化规律呈现出相反的变化趋势。

典型阴天条件下，随着太阳高度角的增加，阴天温室内逐渐出现散射光，光照度忽强忽弱，因而2个温室内日间的相对湿度随着空气温度的变化也出现了较大的波动，但是最低相对湿度同时出现在14：00，TPG最低相对湿度比LPG低。随着室外太阳辐射的减弱，空气温度的降低，室内的相对湿度开始升高，在19：00以后，2种温室内的相对湿度基本接近饱和，并且在日出之前，变化幅度很小。

典型晴天条件下，日间随着太阳高度角的增加，空气温度逐渐上升，温室室内的相对湿度呈现出“单峰”抛物线式下降，TPG最低相对湿度比LPG低。12：00达到最低值后，2种温室的室内相对湿度开始上升，在21：00接近饱和后开始稳定。无论是晴天还是阴天，随时间的变化，LPG室内的相对湿度始终高于室外和TPG，这是由于LPG相较于TPG的密闭性高，室内的湿度在不打开通风口的情况下很难排出。

2.1.4 室内小气候均匀度分析

由表1可知，在晴天，LPG的室内气温均匀度和相对湿度均匀度分别比TPG高2.1百分点、0.5百分点;但光照度的均匀度比TPG低6.3百分点。在阴天，LPG室内气温的均匀度要高于TPG，但相对湿度和光照度的均匀度都低于TPG。

2.2 夏季温室内环境分析

长江流域夏季连续阴雨，高温高湿，光照度低。本研究选择2020年6月20—26日（梅雨季），对LPG和TPG室内小气候进行分析。

2.2.1 室内空气温度分析

由图9可知，夏季6月20—23日均为典型阴天，室外的平均气温为22.8 ℃，TPG与LPG室内空气温度变化趋势一致，TPG和LPG的平均气温均为24.7 ℃。在6月24日和6月25日，LPG未打开遮阳网，由于TPG通风面积大，室内气温下降较快，TPG平均气温比LPG低0.88 ℃。6月26日LPG遮阳网打开，在大跨薄膜温室展开外遮阳后，2种温室内部气温差逐渐增大，LPG空气温度较TPG平均低 7.0 ℃，最高温差可达11.4 ℃。

2.2.2 室内光照度分析

夏季试验期间温室内外光照度变化见图10，室外、TPG、LPG光照度具有相同的变化趋势，6月20日至6月25日LPG未展开遮阳网，但由于外遮阳在合拢时仍有较大的遮阴面积，TPG平均光照度为8 500 lx，比LPG高2 100 lx，6月26日遮阳网打开，TPG平均光照度为19 300 lx，比LPG高11 500 lx。

2.2.3 室内相对湿度分析

试验期间相对湿度变化趋势见图11，相对湿度与空气温度的变化呈相反的趋势，且TPG与LPG空气温度越高的相对湿度越低，6月20日至6月25日，LPG相对湿度为85.0%，TPG比LPG平均相对湿度高1.12百分点。到6月26日LPG遮陽网展开，空气温度大幅度降低，平均相对湿度为81.5%，比TPG高5.5百分点。

2.2.4 室内小气候均匀度分析

根据公式（1）和（3）进行计算，得出典型阴天空气温度和相对湿度的均匀度。由表2可知，在夏季典型阴天LPG的空气温度均匀度、光照度均匀度、相对湿度均匀度均比TPG高，分别高0.47百分点、27.23百分点、0.40百分点。

2.3 作物生长模型构建

依据LPG冬夏温光数据，构建作物生长模型，越冬茬选择芹菜、莴笋、蒌蒿、草莓，夏茬选择小白菜、苋菜、蕹菜、芫荽共8种作物构建生长模型[15]，所选作物的三基点温度见表3[16-23]。

结合冬季监测期间测得的温光数据及预选蔬菜的温度三基点计算结果见表4，由于辐热积的大小与作物的产量呈正比，从充分利用温光资源方面讨论LPG中冬季蔬菜种植优先顺序为莴笋、蒌蒿、芹菜、草莓。

根据江苏无锡朝阳股份有限公司和苏州市南环桥市场发展股份有限公司2020年1月30日的蔬菜批发平均价格：芹菜3.1元/kg，莴笋1.3元/kg，蒌蒿 10.0元/kg，草莓19.9元/kg。在综合蔬菜单价和累积辐热积后，LPG温室最适宜种植草莓，其次是蒌蒿。

依据夏季监测期间测得的温光数据及预选蔬菜的温度三基点，通过公式（5）～（7）获得不同蔬菜的累积辐热积。查得江苏无锡朝阳股份有限公司和苏州市南环桥市场股份有限公司于2020年6月30日的蔬菜批发平均价格：小白菜3.9元/kg，苋菜3.75元/kg，蕹菜5.8元/kg，芫荽12元/kg，通过计算经济效益相对值。

由表5可知，从充分利用光热资源方面讨论LPG中蔬菜种植优先顺序为蕹菜、芫荽、小白菜、苋菜。在综合蔬菜单价和累积辐热积后，LPG夏季最适宜种植芫荽，可获得最高的经济效益，其次为种植蕹菜、小白菜、苋菜。

3 讨论与结论

以LPG作为试验温室，以TPG作为对照温室，研究冬季、夏季温室室内环境因子的变化情况，试验结果表明冬季试验期间，LPG与TPG相比：平均气温高1.6 ℃，最低温度高4.8 ℃;典型阴天条件下，LPG的平均气温比TPG高1.6 ℃;典型晴天条件下，LPG的平均气温比连栋塑料温室高2.4 ℃;典型晴天和典型阴天，LPG的室内空气温度的均匀度均优于TPG;LPG的平均光照度、最高光照度与连栋塑料温室相比分别低3.0、15.2 klx;典型晴天和典型阴天，LPG室内光照度均匀度均较TPG差;LPG比TPG平均相对湿度高4.1百分点，最低湿度高12.8百分点，典型阴天条件下LPG相对湿度均匀度比TPG表现差，典型晴天表现较好。夏季试验期间，未展开遮阳网时LPG比TPG平均气温高 0.43 ℃，平均相对湿度低1.12百分点，平均光照度低2.1 klx。在展开遮阳网后LPG比TPG平均气温低3.0 ℃，平均相对湿度高5.5百分点，平均光照度低11.5 klx。典型阴天条件下，LPG的温度均匀度、光照度均匀度、相对湿度均匀度分别比TPG高0.47百分点、27.23百分点、0.40百分点。

基于辐热积的作物生长模型表明，在仅考虑温光资源充分利用的条件下，夏茬建议种植蕹菜，其次为芫荽、小白菜、苋菜;越冬茬建议种植莴笋，其次为蒌蒿、芹菜、草莓。综合考虑市场因素为LPG作物栽培作出更科学、合理、经济的指导，结合累积辐热积及作物单价后，夏茬建议种植芫荽，其次为蕹菜、小白菜、苋菜。越冬茬建议种植草莓，其次为蒌蒿、芹菜、莴笋。

我国温室类型具有地域性差异，北方园艺设施以日光温室为主，南方园艺设施以塑料大棚居多。由于长江流域地区气候的特殊性，我国北方的日光温室不适宜在该地区大规模发展;塑料大棚环控能力差[5-6]，在该地区仍难以找到节省能源消耗又可实现越冬、越夏生产的温室类型。

冬季试验期间，LPG的相对湿度高于TPG，这可能是由于LPG温室配备了外遮阳系统，虽然在冬季未展开遮阳网，但其在合拢时仍有较大的遮阴面积，导致LPG平均光照度低于TPG，间接致使日间LPG气温低于TPG，而相对湿度与空气温度成反比，这个问题一方面可以通过优化外遮阳系统解决，另一方面可能是由于LPG通风口的通风除湿效率较低，须要进一步优化通风口设计，可基于CFD理论进行模拟，探索LPG通风口的最佳大小及位置。夏季试验期间，LPG在展开遮阳网后温度降低的同时，相对湿度较高，也须要对通风口进行优化，改良其通风除湿的性能。

根据模型对生产实践进行理论指导时，不可忽略农产品价格波动较大，时效性强，在考虑经济效益的同时，也要注重尽可能地充分利用温光资源，在使用基于辐热积的作物生长模型进行科学预测的同时也要结合生产实践经验，进行最有利的生产规划。

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